1 智能電網及其發展

1. 1 智能電網的定義

“智能電網”（Smart Grid） ，最早出自美國“未來能源聯盟智能電網工作組”在2003 年6 月份發表的報告。報告將智能電網定義為“集成了傳統的現代電力工程技術、高級傳感和監視技術、信息與通信技術的輸配電系統，具有更加完善的性能并且能夠為用戶提供一系列增值服務。”在此之后，陸續有一些文章、研究報告提出智能電網的定義;此外還有類似的“Intelli Grid”、“Modern Grid（現代電網） ”的稱謂。盡管這些定義、稱謂在具體的說法上有所不同，但其基本含義與以上給出的定義是一致的。

“智能”二字，很容易使人認為智能電網是一個屬于二次系統自動化范疇的概念。事實上，智能電網是未來先進電網的代名詞，我們可從技術組成和功能特征兩方面來理解它的含義。

1） 從技術組成方面講，智能電網是集計算機、通信、信號傳感、自動控制、電力電子、超導材料等領域新技術在輸配電系統中應用的總和。這些新技術的應用不是孤立的、單方面的，不是對傳統輸配電系統進行簡單地改進、提高，而是從提高電網整體性能、節省總體成本出發，將各種新技術與傳統的輸配電技術進行有機地融合，使電網的結構以及保護與運行控制方式發生革命性的變化。

2） 從功能特征上講，智能電網在系統安全性、供電可靠性、電能質量、運行效率、資產管理等方面較傳統電網有著實質性的提高;支持各種分布式發電與儲能設備的即插即用;支持與用戶之間的互動。

1. 2 智能電網的發展

盡管智能電網的概念是在2003 年提出的，但智能電網技術的發展最早可追溯到20 世紀60 年代計算機在電力系統的應用。20 世紀80 年代發展起來的柔性交流輸電（ FACTS） 與誕生于20 世紀90 年代的廣域相量測量（WAMS） 技術，也都屬于智能電網技術的范疇。進入21 世紀，分布式電源（Dist ributed Elect rIC Resource ，DER ，包括分布式發電與儲能） 迅猛發展。人們對DER 并網帶來的技術與經濟問題的關注，在一定程度上催生了智能電網。

近年來，國際上對智能電網的研究可謂方興末艾。2002 年，美國電科院創立了“Intelli Grid”聯盟（原名稱為GEIDS） ，開展現代智能電網的研究，已提出了用于電網數據與設備集成的Intelli2Grid 通信體系; 2003 年7 月， 美國能源部發表“Grid2030”報告，提出了美國電網發展的遠景設想，之后美國能源部先后資助了GridWise 、Grid2Works、MGI （現代電網） 等智能電網研究計劃。在實際應用方面，德克薩斯州的CenterPoint 能源公司、圣狄戈水電公司（SDG & E） 等都在著手智能電網項目的實施或制定發展規劃;作為美國蓋爾文電力行動計劃（ GEI） 的一部分，伊利諾斯工學院（ IIT） 正在實施“理想電力（ Perfect Pow2er） ”項目。

歐洲國家也在積極推動智能電網技術研發與應用工作。歐盟于2005 年成立了“智能電網技術論壇”;以歐洲國家為基礎的國際供電會議組織（CIRED） 于2008 年6 月召開了“智能電網”專題研討會。在智能電網建設方面，意大利電力公司（ ENEL） 在2002 年～2005 年投資了21 億歐元實施智能讀表項目，使高峰負荷降低約5 %，據報道每年可節省投資近5 億歐元; 法國電力公司（ EDF） 以智能電網作為設計方針，改造其配電自動化系統。

我國對智能電網的研究與討論起步相對較晚，但在具體的智能電網技術研發與應用方面基本與世界先進水平同步。我國地區級以上電網都實現了調度自動化，35 kV 以上變電站基本都實現了變電站綜合自動化，有200 多個地級城市建設了配電自動化。廣域相量測量系統（WMAS） 、FACTS 等技術的研發與應用都有突破性進展。最近，國家電網公司提出“建設堅強的智能化電網”，極大地推動了我國智能電網研究的開展。

2 智能配電網的功能特征

智能配電網（Smart Dist ribution Grid ，SDG）指智能電網中配電網部分的內容。與傳統的配電網相比，SDG具有以下功能特征。

1） 自愈能力。自愈是指SDG能夠及時檢測出已發生或正在發生的故障并進行相應的糾正性操作，使其不影響對用戶的正常供電或將其影響降至最小。自愈主要是解決“供電不間斷”的問題，是對供電可靠性概念的發展，其內涵要大于供電可靠性。例如目前的供電可靠性管理不計及一些持續時間較短的斷電，但這些供電短時中斷往往都會使一些敏感的高科技設備損壞或長時間停運。

2） 具有更高的安全性。SDG 能夠很好地抵御戰爭攻擊、恐怖襲擊與自然災害的破壞，避免出現大面積停電;能夠將外部破壞限制在一定范圍內，保障重要用戶的正常供電。

3） 提供更高的電能質量。SDG 實時監測并控制電能質量，使電壓有效值和波形符合用戶的要求，即能夠保證用戶設備的正常運行并且不影響其使用壽命。

4） 支持DER 的大量接入。這是SDG 區別于傳統配電網的重要特征。在SDG里，不再像傳統電網那樣，被動地硬性限制DER 接入點與容量，而是從有利于可再生能源足額上網、節省整體投資出發，積極地接入DER 并發揮其作用。通過保護控制的自適應以及系統接口的標準化，支持DER 的“即插即用”。通過DER 的優化調度，實現對各種能源的優化利用。

5） 支持與用戶互動。與用戶互動也是SDG區別于傳統配電網的重要特征之一。主要體現在兩個方面：一是應用智能電表，實行分時電價、動態實時電價，讓用戶自行選擇用電時段，在節省電費的同時，為降低電網高峰負荷作貢獻;二是允許并積極創造條件讓擁有DER （包括電動車） 的用戶在用電高峰時向電網送電。

6） 對配電網及其設備進行可視化管理。SDG全面采集配電網及其設備的實時運行數據以及電能質量擾動、故障停電等數據，為運行人員提供高級的圖形界面，使其能夠全面掌握電網及其設備的運行狀態，克服目前配電網因“盲管”造成的反應速度慢、效率低下問題。對電網運行狀態進行在線診斷與風險分析，為運行人員進行調度決策提供技術支持。

7） 更高的資產利用率。SDG 實時監測電網設備溫度、絕緣水平、安全裕度等，在保證安全的前提下增加傳輸功率，提高系統容量利用率;通過對潮流分布的優化，減少線損，進一步提高運行效率;在線監測并診斷設計的運行狀態，實施狀態檢修，以延長設備使用壽命。

8） 配電管理與用電管理的信息化。SDG 將配電網實時運行與離線管理數據高度融合、深度集成，實現設備管理、檢修管理、停電管理以及用電管理的信息化。

3 智能配電網的主要技術內容

SDG集現代電力新技術于一體，具體內容主要有以下幾個方面。

1） 配電數據通信網絡。這是一個覆蓋配電網中所有節點（控制中心、變電站、分段開關、用戶端口等） 的IP 通信網，采用光纖、無線與載波等組網技術，支持各種配電終端與系統“上網”。它將徹底解決配電網的通信瓶頸問題，給配電網保護、監控與自動化技術帶來革命性的變化，并影響一次系統技術的發展。

2） 先進的傳感測量技術，如光學或電子互感器、架空線路與電纜溫度測量、電力設備狀態在線監測、電能質量測量等技術。

3） 先進的保護控制技術，包括廣域保護、自適應保護、配電系統快速模擬仿真、網絡重構等技術。

4） 高級配電自動化。目前的配電自動化技術包括配電運行自動化（安全監控和數據采集、變電所綜合自動化、饋線自動化） 、配電管理自動化（配電地理信息系統、設備管理、檢修管理等） 以及用戶自動化這3 個方面的內容。這些內容都屬于SDG技術的范疇。

為與目前大家熟知的配電自動化區分，美國電科院提出了高級配電自動化（Advanced Dist ri2bution Automation ，ADA） 的概念。ADA 是傳統配電自動化（DA） 的發展，也可認為是SDG 中的配電自動化。ADA 的新內容主要支持DER 的“即插即用”，它采用IP 技術，強調系統接口、數據模型與通信服務的標準化與開放性。

為使SDG 技術概念更有針對性，筆者建議ADA 僅包括配電運行自動化與配電管理自動化，將用戶自動化內容列入下面介紹的高級量測體系。

5 ） 高級量測體系（ Advanced MeteringArchitecture ，AMA） 是一個使用智能電表通過多種通信介質，按需或以設定的方式測量、收集并分析用戶用電數據的系統。AMA 是支持用戶互動的關鍵技術，是傳統AMR 技術的新發展，屬于用戶自動化的內容。

6） DER 并網技術，包括DER 在配電網的“即插即用”以及微網（MICro Grid） 兩部分技術內容。DER 的“即插即用”包括DER 高度滲透的配電網的規劃建設、DER 并網保護控制與調度管理、系統與設備接口的標準化等。微網是指接有分布式電源的配電子系統，它可在主網停電時孤立運行。

DER 并網研究內容還包括有源網絡（ActiveNetwork） 技術。有源網絡指分布式電源大量應用、深度滲透，潮流雙向流動的網絡。

7） DFACTS 是柔性交流輸電（ FACTS） 技術在配電網的延伸，包括電能質量與動態潮流控制兩部分內容。DFACTS 設備包括靜止無功發生器（SVC） 、靜止同步補償器（ STA TCOM） 、有源電力濾波器（APF） 、動態不停電電源（UPS） 、動態電壓恢復器（DVR） 與固態斷路器（ SSCB） 、統一潮流控制器（UPFC） 等。

8） 故障電流限制技術，指利用電力電子、高溫超導技術限制短路電流的技術。

綜上所述，SDG技術包含一次系統與二次系統兩方面的內容。一個具體的SDG功能的實現，往往涉及多項技術的綜合應用。以自愈功能為例，首先一次網架的設計應該更加靈活、合理，并應用快速斷路器、故障電流限制器等新設備;在二次系統中，應用廣域保護、就地快速故障隔離等新技術，以及時檢測出故障并進行快速自愈操作。

4 建設智能配電網的作用與意義

電力系統已誕生一百多年了，盡管其電壓等級與規模與當年相比已有天壤之別，但系統的結構與運行原理并沒有很大的變化。進入21 世紀，面對當今社會與經濟發展對電力系統提出的新要求和計算機、電力電子等新技術的廣泛應用，有必要重新審視過去電網建設的模式，探討未來電網的發展新方向，而智能電網正是人們對這一問題思考、研究的結果。智能電網技術的發展正在給電力系統帶來一場深刻的變革。

配電網直接面向用戶，是保證供電質量、提高電網運行效率、創新用戶服務的關鍵環節。在我國，由于歷史的原因，配電網投資相對不足，自動化程度比較低，在供電質量方面與國際先進水平還有一定的差距。目前電力用戶遭受的停電時間，95 %以上是由于配電系統原因造成的（扣除發電不足的原因） ;配電網是造成電能質量惡化的主要因素;電力系統的損耗有近一半產生在配電網;分布式電源接入對電網的影響主要是對配電網的影響;與用戶互動、進行需求側管理的著眼點也在配電網。因此，建設智能電網，必須給予配電網足夠的關注。結合我國配電網實際，積極研發應用SDG技術，對于推動我國配電網的技術革命具有十分重要的意義。

SDG將使配電網從傳統的供方主導、單向供電、基本依賴人工管理的運營模式向用戶參與、潮流雙向流動、高度自動化的方向轉變。隨著我國SDG建設的進展，將產生越來越明顯的經濟效益與社會效益，主要以下3 個方面。

1） 實現配電網的最優運行，達到經濟高效。SDG應用先進的監控技術，對運行狀況進行實時監控并優化管理，降低系統容載比并提高其負荷率，使系統容量能夠獲得充分利用，從而可以延緩或減少電網一次設備的投資，產生顯著的經濟效益和社會效益。

2） 提供優質可靠電能，保障現代社會經濟的發展。SDG在保證供電可靠性的同時，還能夠為用戶提供滿足其特定需求的電能質量;不僅可以克服以往故障重合閘、倒閘操作引起的短暫供電中斷，而且可以消除電壓聚降、諧波、不平衡的影響，為各種高科技設備的正常運行、為現代社會與經濟的發展提供可靠優質的電力保障。

3） 推動新能源革命，促進環保與可持續發展。傳統的配電網的規劃設計、保護控制與運行管理方式基本上不考慮SER 的接入，而且為不影響配電網的正常運行，現有的標準或運行導則對接入的DER 的容量及其并網點的選擇都做出了嚴格的限制， 制約了分布式發電的推廣應用。SDG具有很好地適應性，能夠大量地接入DER 并減少并網成本，極大地推動可再生能源發電的發展，大大降低化石燃料使用和碳排放量，在促進環保的同時，實現電力生產方式與能源結構的轉變。